Studia Podyplomowe
EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ
w ramach projektu
Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią
Kompensacja mocy biernej
dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH
Kompensacja mocy biernej
Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków
Zbigniew HANZELKA
Kraków, marzec 2013 r.
DEFINICJE MOCY BIERNEJ
ωt napięcie
prąd
φ
φ S=UI
P=UI cosφ
Q=UI sinφ
Q=- UI sinφ
S*
= + +
n=1 n=5 n=7
Cel kompensacji:
- kompensacja mocy biernej podstawowej harmonicznej
- eliminacja wybranych harmonicznych prądu (redukcja odkształcenia napięcia w PWP)
Analiza Fouriera
KOMPENSATOR WIRUJĄCY
Kompensatory synchroniczne
sieć zasilająca
wzbudnica tyrystorowa
układ sterowania
zmienne obciążenie lub inna sieć
sygnał zadany
napięcia lub prądu (mocy) biernego
PWP
I
oU
I
wTr
kompensator
synchroniczny
KONDENSATORY
KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ
Kompensacja mocy biernej
Moc czynna
Moc bierna
KONDENSATORY
STABILIZACJA NAPIĘCIA
I
0U
0U
SR
SI
0X
SI
0Z
SS ZW
Q U U ≅
∆
0
Regulacja napięcia
PWP
sieć zasilająca
nieliniowy odbiornik
Tr1
Tr2
XTr2 XTr1 XS
XC I(n)
QK
impedancja widziana z zacisków nieliniowego odbiornika
n
bez C
z C
nR nj
I(n)
pętla
rezonansowa
Odbiornik
1 2 3 4
…
C R ZW
Q
n ≅ S
Napięcie i prąd baterii dla poszczególnych stopni
Stopień 1
Stopień 2
Stopień 4
Stopień 5
0,4kV 10kV
sieć
zasilająca
SN = 1,5 MVA e% = 5,75
QC = 0,5 MVAr
nieliniowy odbiornik
liniowy odbiornik
źródło
harmonicz.
XSXT
XC
Impedan. Z
Impedancja Z
fR fSZ
f
fL L
X L = ω = 2 π
fC X
CC
π
ω 2
1 1 = −
−
=
L C X C
ω − ω 1
= L C X C
ω − ω 1
= Z
f
f R LC
π
2
= 1
f R LC
π 2
= 1
nf LC
π 2
1
1 =
LC n f
2 1
1
= π
U
1
1
2 −
= n U L
2 1
2
= − n U C n
2 ) 1 (
2
100
100 100
% ⎟⎟
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
= ⎛
=
=
R C
L
f f U n
p U
Współczynnik tłumienia (dławik odstrajający)
↓
⇒
↑
⇒
↑ R
L L n
U
5.67% - 223 Hz
7% - 189 Hz
14% - 133 Hz
Z
f 150 Hz
5.67% - 223 Hz 7% - 189 Hz 14% - 133 Hz
5,67%
7%
14%
Powyżej częstotliwości rezonansowej układ LC ma charakter indukcyjny), co oznacza że w tym paśmie tłumione są harmoniczne
„wpływające” do kondensatora
KONDENSATORY
FILTRACJA WYŻSZYCH
HARMONICZNYCH
( ) ( ) ( ) 1
U
U n = U n ( )
( )
% 100
1 2
2
U U THD
n
gn
n U
∑ =
=
ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGÓW
CZASOWYCH NAPIĘĆ I PRĄDÓW
THD i harmoniczne napięcia fazowego L1
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
THD H3 H5 H7 H11
[%] CP99
CP95 CP50 CP05
THD
U2= 17,45 %
Harmoniczna 5
źródło
zaburzenia sprzężenie (sieć zasilająca)
odbiornik
Środowisko
elektromagnetyczne
Sposoby rozwiązywania problemu
harmonicznych
1. eliminacja harmonicznych prądu (napięcia)
2. kompensacja mocy biernej harmonicznej podstawowej
Funkcje filtru pasywnego
Pasywna filtracja wyższych harmonicznych
F5 F7 Filtr szerokopasmowy
filtr pasywny System
zasilający
Odbiornik nieliniowy
PWP
)
I
(nI
S(n)I
F(n)) ( ) ( )
( ) ( )
(
) ( )
( n S n n
n S n
F
n F n
S
I I
Z Z
I Z = ρ
= +
) ( ) ( )
( ) ( )
(
) ( )
( n F n n
n S n
F
n S n
F
I I
Z Z
I Z = ρ
= +
)
1
( )
(n
+
F n=
S
ρ
ρ
F5 (U5) F5 (U7)
F5 (I)
FC/TCR
FC/TCR
iTCR( =—)a
a = —
iTCR(1) iTCR( )a2
iTCR( )a3 iTCR( )a1
a3 a2
P 2
P 2
(a)
(b)
C
L L
T
FC TCR
PCC
u0
i0
iFC iTCR
Load
wt u0
FIXED CAPACITIOR/THYRISTOR CONTROLLED REACTOR (FC/TCR)
2 α =π
2) (α =π iTCR
) (α1 iTCR
) (α2 iTCR
) (α3 iTCR
α2
α3
FC/TCR
FC/TCR
L L L
TCR FC
FC / TCR Control
system Load
Voltage/reactive power reference Supply network
T T T
FC/TCR FC/TCR
(file aaa2.pl4; x -var t) t: IA 1H t: IB 1H t: IC1H
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-300 -200 -100 0 100 200 300
(file aaa2.pl4; x -var t) t: IA 1H t: IB 1H t: IC1H
0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00
-120 -80 -40 0 40 80 120
(file aaa2.pl4; x -var t) c :E A -E E A c :E B -E E B c :E C -E E C
0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60
-120 -80 -40 0 40 80 120
prąd obciążenia
prąd sieci
Prąd odbiornika
Prąd sieci
FC/TCR
20 kV
stabilizator wyłączony
stabilizator załączony
5%
5%
cza s [s]
0 1 2 3 4 5 6 Compensator FC/TCR off
Compensator FC/TCR on
TSC/TCR
STATCOM
LOAD VSC
ubus
uvsc
Xr i
u
busu
busu
busu
busu
xu
xu
vscu
vsc< u
vsc> u
vsci i
Odbiornik STATCOM
STATCOM
STATCOM
DZIĘKUJE ZA UWAGĘ . . .
Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza
30-059 Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel.: 12 617 28 78, 12 617 28 01 E-mail: hanzel@agh.edu.pl